CN106471415B - 使用基于衍射的照明的成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了使用基于衍射的照明的成像装置和方法。一种示例性的装置包括衍射光栅，用以将来自光源的光重定向成朝向样本，从而照射样本。所述示例性的装置还包括图像传感器，用以检测由所照射的样本产生的衍射图样。

Description

使用基于衍射的照明的成像装置和方法

技术领域

本公开涉及显微成像。

背景技术

显微成像在许多应用的情况下是有用的工具。虽然图像传感器（例如电荷耦合的器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS））已经在许多类型的成像系统中所使用的价格方面见到了快速的下降，但是显微镜由于显微镜物镜（例如，一个或多个光学透镜）的成本而仍然是昂贵的。最近，已经开发了无透镜的成像途径，其提供可以覆盖相当大区域（例如超过在以相对高的放大率的常规显微镜物镜的情况下所可能的区域）的高分辨率图像。

发明内容

在本公开的第一方面，提供了一种装置，包括：衍射光栅，用以将来自光源的光重定向成朝向样本，从而照射样本；以及图像传感器，用以检测由所照射的样本产生的衍射图样。

在本公开的第二方面，提供了一种装置，包括：衍射光栅，用以从光源发射的光中提供入射在样本上的定向光；以及图像传感器，用以检测从透射通过样本的定向光与样本散射的定向光之间的干涉所产生的衍射图样。

在本公开的第三方面，提供了一种方法，包括：经由衍射光栅生成定向光以照射样本，所述定向光源自与衍射光栅相邻的光源；以及检测由样本在被所述定向光照射时所产生的衍射图样；基于所述衍射图样而生成样本的图像。

附图说明

图1是根据本文中所公开的教导所构造的示例性显微成像系统的横截面示意图示。

图2是图1的示例性显微成像系统的顶视图。

图3是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统的横截面示意图示。

图4是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统的横截面示意图示。

图5是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统的横截面示意图示。

图6是图5的示例性显微成像系统的顶视图。

图7是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统的顶视图。

图8是根据本文中所公开的教导所构造的用以实现图1-7的示例性显微成像系统的示例性图像生成器的框图。

图9是表示可以被执行以实现图8的示例性图像生成器和/或更一般地图1-7的示例性显微成像系统的机器可读指令的流程图。

图10是能够执行图9的指令以实现图8的示例性图像生成器和/或更一般地图1-7的示例性显微成像系统的示例性处理器平台的框图。

各图不是按比例的。代替地，为了使多个层和区清楚，层的厚度可以在附图中放大。在可能的任何情况下，相同的参考标号将贯穿（多个）附图被使用并且伴随所撰写的描述来指代相同或相似的部分。

具体实施方式

可以在各种应用中、诸如在医学工业中使用显微成像系统。例如，利用现在在低成本的膝上型计算机和智能电话中可用的大计算功率，正做出许多努力来开发可以通过USB或类似接口供电以允许在医院外执行例行测试的低成本和便携式的医学诊断设备。以此方式，降低这样的测试的成本和对患者的负担。

通过使用成像系统来完成一些医学诊断测试。成像系统可以在许多应用中（诸如用于血液分析而对细胞进行计数、在对细菌进行计数中和/或在流式细胞术中）是有益的，因为成像系统允许按大小、颜色、形状等等的可靠分类。除了医学应用之外，显微成像系统在非生物环境中也是有用的，所述非生物环境诸如水质测试（例如对水中的杂质和/或微粒进行计数和/或表征）。显微成像系统的另一有用应用是分析打印介质（例如纸张）的表面和/或这样的打印介质上的打印品质（例如打印点大小、形状和/或布置）。

对显微成像系统的生产的限制是光学元件或显微镜物镜的成本。为了克服该障碍，最近已经做出了努力来开发无透镜的成像系统。一些这样的无透镜成像技术采用定向的光来照射极为接近地（例如在图像传感器的若干毫米内）置于图像传感器（例如CMOS传感器阵列）前方的大部分透明的样本。在定向的光穿过样本时，一些光将被样本散射。所散射的光将干涉继续直接穿过样本的光，从而产生可以被图像传感器拾取的衍射图样。对于人类而言，衍射图样可能表现为模糊的斑点，其类似于将会从具有脏透镜的相机捕获的图像中所产生的。软件算法用于将衍射图样转换、去卷积（deconvolve）和/或以其它方式重构成样本的对于人眼可识别的有用（例如高分辨率）图像。使用定向光的理由是用以相同角度到来的光照射整个样本以提供跨样本区域（例如对应于图像传感器的区域）的衍射图样中的对称性。也就是说，如果光在样本的不同部分中以不同的角度入射在样本上，则结果产生的衍射图样跨所捕获的图像将会是不一致的，使得重构样本的图像困难得多。

采用此技术的当前的无透镜途径能够得出相对大的样本区域（其超过通过以高放大率水平的传统显微镜所可能的）的相对高分辨率的图像。然而，这样的途径的缺点是：为了实现样本的一致定向的照明，光源必须被定位成相对远离样本。此外，随着样本区域增大，在光源的距离中通常存在成比例的增大以在愈加扩张的区域上维持基本上定向的光。因而，已知的技术涉及在可察觉距离（例如若干厘米朝上）处的光源，所述可察觉距离具有取决于正被成像的样本区域的大小的某种变化。虽然在光源与样本之间的距离可以足够小以产生便携式成像系统，但是这样的系统仍是庞大的，并且因此不方便实现。

本文中所公开的示例使用基于衍射光栅的照明以使能类似的成像性能，但是具有比已知技术小得多的形状因数。特别地，公开了低成本、超紧密且大区域的无透镜成像系统，其使用衍射光栅来实现比其它已知方法显著更扁平的形状因数。在一些示例中，在光源和光传感器之间的竖直距离可以小于几毫米厚（例如近似1.5mm到5mm）。这样的薄形状因数与当前已知的方法相比可以实际得多地做出与智能电话和/或其它便携式设备的集成。本文中所公开的示例可以被包含在外壳内，所述外壳具有小于一厘米的总高度。此外，不像已知的途径，所公开的示例的厚度并不随着增大的样本区域而增大。在所公开的示例中的衍射光栅可以被采用来提供样本的定向和均匀的照明。如本文中所使用的，“定向的光”或“定向的照明”是指由基本上彼此平行（例如角度不确定性相对小或可忽略）的光线所组成的光。如本文中所使用的，样本的“均匀照明”是指在正被照射的样本的任何部分上相对于样本的任何其它部分具有基本上一致的强度的光。因而，样本的定向且均匀的照明指示样本可以遍及样本的整个成像部分（例如正被成像的样本的区域）、在光的入射角和光的强度这两方面被基本上一致地照射。

在一些公开的示例中，衍射光栅可以与平板波导组合，在所述平板波导中的一端处引入经准直的光。随着光沿着波导行进并且然后与衍射光栅接触，衍射光栅使光重定向以提供将照射样本的定向光。一些公开的示例以透射模式实现衍射光栅，在所述透射模式中定向的光穿过样本到图像传感器。一些公开的示例可以以反射模式来实现衍射光栅，在所述反射模式中定向的光穿过样本并且然后通过波导和衍射光栅被反射回到相对侧上的图像传感器。

在一些公开的示例中，衍射光栅可以与光的外部点源（例如未经准直的激光）组合。在一些这样的示例中，衍射光栅可以被结构化有以点光源为中心的圆弧形的槽或脊（ridge）。以此方式，在光从点源以所有方向发出时，光将均匀地接触每个槽的整个长度以使得能够将未经准直（非定向）的光受控地重定向成可以适当地照射感兴趣的样本的定向光。更具体地，在这样的示例中，衍射光栅可以被结构化使得与任何特定的槽的每个部分接触的光具有相同的相位。此外，在这样的示例中，相邻的槽的间隔被设置成经历在入射光的相位方面的差异，使得在所期望的方向上（例如朝向样本）所散射的光针对所有槽相长地相加以形成定向光。

图1是根据本文中所公开的教导所构造的示例性显微成像系统100的横截面示意图示。示例性的成像系统100包括窗口102以将样本104保持成与图像传感器106相邻。样本104可以是将根据本文中所公开的教导被显微成像的任何（多个）材料。在一些示例中，样本104可以是基本上透明的。在一些示例中，样本104可以由能够散射光的不透明的对象、颗粒或微粒形成。在一些示例中，样本104可以是基本上透明的流体（例如液体或气体），其包含基本上透明和/或不透明的对象、颗粒或微粒。在一些特定示例中，样本104在性质上可以是生物性的（例如包含血细胞的血液样本、花粉粒、细菌等等）或非生物性的（例如灰尘、粉末和/或其它无机微粒）。此外，在一些示例中，样本对应于所打印的图像或用于打印图像的打印介质的表面。

在一些示例中，图像传感器106可以通过互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器阵列来实现。在其它示例中，图像传感器106可以通过电荷耦合的器件（CCD）传感器阵列来实现。尽管所图示的示例示出了在窗口102和图像传感器106之间的间隔或间隙，但是在一些示例中，窗口102与图像传感器106直接邻接或与彼此接触。在一些这样的示例中，在样本104与图像传感器106之间的距离近似地对应于窗口102的厚度。此外，在一些示例中，平板波导108可以被定位成靠近样本，其中具有超过样本自身厚度的小间隙或没有间隙。因而，在一些示例中，成像系统100的总厚度近似对应于图像传感器106（例如近似1mm厚）、窗口102（例如近似0.5mm到1mm厚，包括任何传感器-窗口间隙）、样本104（例如近似0.1mm到1mm厚）以及波导108（例如近似1mm到2mm厚）的组合厚度。因而，在一些示例中，该总厚度可以小于大约五毫米并且可以小于大约2.5毫米。在一些示例中，成像系统100可以被包含在外壳101内，所述外壳101具有一厘米或更小的总高度H。

图1的示例性成像系统100包括平板波导108，所述平板波导108被定位成与样本104相邻以从平板波导108的一端沿着其长度传送来自光发射器112的经准直的或基本上经准直的光110的射束。如本文中所使用的，“基本上准直的光”是指在鉴于物理现实（诸如（例如准直透镜116的）制造容差和光发射器112的面积）而可能的程度上被准直的光。在所图示的示例中，衍射光栅114位于与波导108的表面相邻处。在所图示的示例中，随着经准直的光110的射束沿着波导108行进，光与衍射光栅114相互作用。在经准直的光110的射束与衍射光栅114接触时，光可以被重定向成朝向样本104，如在以下更全面地描述的。

在一些示例中，波导108可以由诸如玻璃或塑料之类的介电材料构成。在所图示的示例中，来自光发射器112的光可以经由准直透镜116被准直成光110的射束。也就是说，从光发射器112所发射的光线在进入波导之前被变成平行的（或如由所选准直透镜的物理现实（例如制造容差）所准许的基本上平行的）。在一些示例中，光发射器112可以通过激光二极管实现。在一些示例中，光发射器112可以通过发光二极管（LED）实现。

在一些示例中，波导108内的经准直的光110的射束的入射角被控制成大于临界角（例如针对玻璃-空气界面近似为42度），以使得经准直的光110的射束由于全内反射而被限制在平板波导108的相对表面内。以此方式，在光沿着波导108行进时光不损耗（或仅仅可忽略地损耗）。另外，在一些示例中，经准直的光110的射束的入射角可以基于衍射光栅114的期望效率（例如当衍射光栅被经准直的光110的射束接触时所述衍射光栅重定向多少光）被更精确地控制成以比临界角更大的角。例如，以过大的入射角（例如接近与波导108的表面平行）而沿着波导108行进的光将不沿着波导108往复反弹非常多次，从而减少与衍射光栅114的相互作用的量。因而，相对少的光将被衍射光栅114重定向。另一方面，以过小的入射角（即使仍在临界角以上）而沿着波导108行进的光可以反弹这么多次使得衍射光栅114将在光行进了波导108的整个长度之前重定向过多的光。在该情形中（例如过多的光重定向），可能存在用以适当地照射波导108的远端之下的样本104的不充足的光，这导致对样本104的不均匀的照明。更具体地，在一些示例中，适合于波导108内的经准直的光110的射束的入射角或入射角的范围取决于衍射光栅114的结构（例如槽或脊的周期和高度）、波导108的结构（例如厚度）、经准直的光110的射束的直径、以及需要照明的样本区的大小（其影响波导的长度）。在一些示例中，波导108内的经准直的光110的射束的入射角的合适范围可以在大约（例如+/-1度）55度和大约（例如+/-1度）75度之间。

在一些示例中，如图1中所示，可以经由平板波导108的有角度的前导面118来实现期望的入射角。在一些示例中，光发射器112和准直透镜116被安置成不与平板波导108平行对准和/或以相对于前导面118的角度的特定角度来实现波导内的光的期望的入射角。

如以上所提及的，在所图示的示例中，波导108与衍射光栅114相关联，所述衍射光栅114被结构化成将来自沿着波导108行进的经准直的光110的射束的光重定向成朝向样本104和图像传感器106。如在图1和2的所图示的示例中所示，衍射光栅114包括一系列平行的线性结构，所述线性结构跨波导108的表面而延伸，与经准直的光110的射束的行进方向基本上垂直（例如+/-1度内）。在一些示例中，衍射光栅114的线性结构由在波导108的表面内所蚀刻的狭缝、槽或沟道形成。也就是说，在一些示例中，衍射光栅114的结构可以由平板波导108的材料整体形成。在一些示例中，衍射光栅114的结构对应于被添加到平板波导108的表面上的条、脊、或拱棱。在一些示例中，这样的脊通过将金属或其它材料（例如电介质）沉积到波导的表面上并且然后蚀刻走沉积的部分而形成。

尽管所图示的示例的衍射光栅114的脊和/或槽的横截面在形状上是方形的，但是槽（或对应的脊）的横截面形状和/或深度和/或宽度可以在与本文公开的教导一致的情况下被变更。此外，在槽或脊中相邻的槽或脊之间的间隔或周期可以被适当调整而不偏离本文中所公开的教导。特别地，虽然经准直的光110的射束将由于全内反射而保持在平板波导108内，但是当经准直的光110的射束与衍射光栅114接触时，光将被散射或者在不同的方向上被重定向以逃逸出波导108。光被衍射的（多个）特定的角以及被衍射的光的量通过衍射光栅114的结构以及在平板波导108内的经准直的光110的射束的入射角来确定。在一些示例中，衍射光栅114可以被构造成以基本上垂直于或正交于（例如在垂直的+/-1度内）波导108的角度而将来自经准直的光110的射束的光重定向成朝向样本104，从而以基本上垂直于或正交于（例如在垂直的+/-1度内）窗口102和/或图像传感器106的角度来照射样本104。在其它示例中，衍射光栅114可以被结构化成以除了垂直于波导108、窗口102和/或图像传感器106之外的角度来将光重定向成朝向样本104。

为了解释的目的，被重定向成朝向样本104的经准直的光110的射束的部分在本文中被称为样本光120并且在所图示的示例中利用阴影箭头来表示。由于光110的射束被准直（例如由平行或基本上平行的光线形成）并且它以受控的角度进入并且传播通过平板波导108，所以由衍射光栅114生成的样本光120的结果得到的射线也与彼此平行或基本上平行。也就是说，样本光120是定向的。然而，不像以窄光束在波导108内聚焦的经准直的光110，样本光120可以散布在与图像传感器106的传感器区121相关联的样本104的整个区域上。结果，整个样本104可以被定向的光照射使得样本的任何特定的区被以相同或基本上相同入射角的光所照射。以此方式，由图像传感器106所检测的结果得到的光图样将在感测区121内的每个位置处基本上一致。也就是说，在这样的示例中，在样本图像内的不同区域中的光（和对应的结果得到的衍射图样）之间将存在更大的对称性，这能够促进或改进后期处理。在一些示例中，在其中精确的定向照明不太受关注的情况下，衍射光栅114可以被光散射表面（例如粗糙化的表面）代替，以将光散射向样本104，从而用具有较少定向一致性的光来照射样本104。

在操作中，图1的所图示的示例的成像系统100捕获样本104的显微图像，这通过提供来自光发射器112的光，所述光经由准直透镜116被准直并且以受控的角度被引入到波导108中，其中它通过全内反射而保持受限在相对表面之间。在一些示例中，随着经准直的光110的射束沿着平板波导108传播，射束与衍射光栅114相互作用以生成样本光120。特别地，衍射光栅114将光110的射束的一部分（例如样本光120）重定向成朝向样本104。在一些示例中，衍射光栅114可以被结构化成控制样本光120被衍射并且指向样本104的角度。在所图示的示例中，样本光120可以是定向的光，其具有在样本104上的、基本上正交于（例如在垂直的+/-1度内）图像传感器106的入射角。在一些示例中，在样本光120到达样本104时，它照亮样本104。特别地，虽然一些样本光120直接穿过样本104朝向图像传感器106，但是一些样本光120将从样本中的对象、颗粒或微粒被散射离开。在一些示例中，在图像传感器106上的这两个信号（例如穿过样本104的光以及从样本104弹开的光）之间的干涉产生所捕获的图像数据中的衍射或干涉图样（例如模糊的暗环）。在一些示例中，所捕获的图像数据的衍射图样被处理（例如通过去卷积）来重构样本104的图像。

在一些示例中，使用上述示例性成像系统100所产生的显微图像具有与图像传感器106的像素间隔相对应的分辨率。例如，当前CCD和/或CMOS传感器阵列的单独的光电检测器107具有几微米的大小和间隔。图像传感器106的光电检测器107的间隔越小，结果产生的图像的分辨率就越高（更多细节）。传统的显微镜通过增大显微镜的放大率而实现更多的细节。然而，这样的放大率通常以减小显微镜的视场为代价。相反，在示例性的成像系统100中增加细节可以通过减小像素间隔（基于更小的单独光电检测器107）来实现，但是视场保持恒定，对应于图像传感器106的整个感测区121。此外，图像传感器106（例如其感测区121的面积）的大小基于被置于传感器阵列中的单独光电检测器107的数量而可以是任何合适的大小。通常，传感器阵列大小中的主要限制因素是制造这样的阵列的成本。因而，虽然传统显微镜在某个放大率下可以具有受限于几毫米宽的视场，但是在一些示例中，可以利用跨越若干厘米或更多的视场（例如样本区域）来捕获可比的显微图像。因而，与利用传统显微镜在高放大率水平下可能的视场相比，本文中公开的示例可以提供扩张得多的视场。

虽然所捕获的图像的分辨率对应于图像传感器106的像素间隔，但是在一些示例中，如果所捕获的图像数据包括被以不同入射角的定向光所照射的样本106的多个曝光（exposure），则子像素分辨率（例如对应于小于像素间隔的分辨率）可以是可能的。在一些示例中，定向样本光120的不同的角度通过变更平板波导108内的光110的经准直的射束的入射角来实现。通过改变波导108内的光110的经准直的射束的角度，光与衍射光栅114相互作用的角度改变，从而改变样本光120被重定向成朝向样本104的结果产生的角度。在一些示例中，光110的经准直的射束的角度可以通过改变光发射器112相对于准直透镜116的定位来被变更。例如，如在图1的所图示的示例中所示，成像系统100包括机械致动器122，所述机械致动器122被耦合到光发射器112以相对于成像系统100的其余部分而移动光发射器112。在一些示例中，通过类似的机械致动器，准直透镜116和/或波导108相对于成像系统的其余部分是可移动的。

图2是图1的示例性显微成像系统的顶视图。如上所述，图像传感器106基于传感器阵列中单独光电检测器107的数目和布置而可以是任何合适的大小。在一些示例中，图像传感器106的大小限定样本区域的大小，所述样本区域的大小进而限定波导108的适当长度和宽度（例如面积）。由于图像传感器106可以具有任何合适的大小，所以在一些示例中，图像传感器106（以及对应的样本104和波导108）的宽度大于光110的单个准直射束的宽度。因此，在一些示例中，照射样本104的光源可以从多个光发射器112被提供。在一些示例中，来自所述多个光发射器112中每一个的光可以经由多个准直透镜116中的相应一个而被准直，从而产生经准直的光110的对应射束，其一起形成将沿着波导108传输的经准直的光管（blanket）。在一些示例中，光110的经准直的射束的组合宽度对应于图像传感器106的传感器区的宽度。以此方式，随着所述光管沿着平板波导108传播并且通过衍射光栅114被重定向，用定向光照射整个样本。在一些示例中，准直透镜116由单个整体材料件构成，如在所图示的示例中所示，这是由于光发射器112的邻近。

图3是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统300的横截面示意图示。图3的示例性成像系统300类似于图1的示例性成像系统100，除了图3的成像系统300在波导108面向样本104的表面上而不是如图1中在背对样本104的表面上包括衍射光栅302之外。图3的示例性成像系统300以与图1的成像系统基本上相同的方式而操作。然而，衍射光栅302的特定结构和/或波导108内的光110的准直射束的入射角可以不同于图1中的示例，从而生成样本光120，所述样本光120从波导108被衍射离开（而不是如图1中跨波导108）并且以期望的角度朝向样本104。

另外，在图3的所图示的示例中，成像系统300不像图1中所示的那样在波导108的端部包括光发射器112和准直透镜116。相反，在图3的所图示的示例中，成像系统300包括光发射器304，所述光发射器304朝向光栅耦合器306发出未经准直的光，从而将光耦合到平板波导108。在一些示例中，光栅耦合器306包括一个或多个衍射光栅结构来与光相互作用从而使得光被准直（或基本上被准直）并且控制波导108内的入射角，从而产生沿着波导108行进的光110的经准直的射束。尽管所图示的示例的光栅耦合器306被示出在波导108的顶表面上与光发射器304相邻，但是在一些示例中，光栅耦合器306可以被安置在波导108的相对的表面上（例如衍射光栅302所位于的地方），以使得来自光发射器304的光首先通过波导108直到它到达光栅耦合器306所位于的相对侧为止。在一些这样的示例中，在光与光栅耦合器306相互作用时，光栅耦合器306将光准直成光110的射束，所述光110的射束沿着波导108以期望的入射角被反射回去，从而然后被衍射光栅302重定向为定向的样本光120，用以照射样本104。

图4是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统400的横截面示意图示。图4的示例性成像系统400类似于图1的示例性成像系统100，除了图4的成像系统400的平板波导108被布置在样本104和图像传感器106之间之外。相反，在图1的示例性成像系统100中，样本104被布置在平板波导108和图像传感器106之间。尽管图4的所图示的示例示出了在波导108（以及相关联的衍射光栅114）与图像传感器106之间的间隔或间隙，但是在一些示例中，波导108和图像传感器106直接邻接或与彼此接触。此外，尽管图4的所图示的示例示出了在波导108和窗口102之间的间隔或间隙，但是在一些示例中，波导108和窗口102直接邻接或者与彼此接触。以此方式，在样本104和图像传感器106之间的距离近似对应于窗口102和波导108的组合厚度（例如，如近似1mm到1.5mm那样薄）。

在一些示例中，窗口102和波导108靠近在一起，因为样本104不是（如图1中的情况那样）被置于窗口102上。相反，样本104可以在窗口102下方并且置于与成像系统400相关联的设备层402上。在一些示例中，窗口102可以被省略并且波导108可以对着或者近似对着样本104。在一些示例中，设备层402可以是硅基底。在图4的所图示的示例中，随着样本光120指向样本104，一些光将穿过样本并且从设备层402被往回反射离开，而一些光将通过样本104中的对象、颗粒和/或微粒被散射和/或从所述对象、颗粒和/或微粒被往回反射离开。在一些示例中，所反射的光在被图像传感器106捕获以用于后期处理之前通过窗口102和波导108往回行进。因而，本文中所公开的教导在透射模式（其中光透射通过样本104从而被图像传感器106检测到，如图1-3中那样）或反射模式（其中光从样本104被反射离开并且然后被图像传感器106检测到，如图4中那样）中是有用的。

虽然在这样的示例中通过波导108和衍射光栅114的额外的传递可能引起相对于不展示额外传递的示例的某种附加干涉，但是该途径是对于其中设备层402不透明的情况的解决方案。在一些示例中，设备层402可以是不透明的，因为它是微流体系统的部分。在一些这样的示例中，在窗口102和设备层402之间的间隙或间隔可以是微流体通道404。在一些示例中，微流体通道404可以耦合到泵从而使得样本104流过微流体通道。以此方式，作为流式细胞术的部分而对细胞和/或颗粒进行计数和/或区分可以被执行。此外，虽然传统的流式细胞术基于光的散射和反射原理而区分细胞，但是由于本文中所公开的示例生成样本的图像，所以还可以基于其它特性、诸如例如颜色、形状、大小等等来区分细胞。

图4中所述的反射模式在对不透明样本进行成像中也是有益的。例如，在一些示例中，样本104可以是打印介质（例如纸张）上的打印的图像（例如文本、图片等等）。在一些示例中，通过使用本文中所公开的教导，打印品质（例如点大小、点形状、点间隔等等）可以被显微成像和分析。在一些示例中，样本可以是没有任何打印图像的一种类型的打印介质（例如高光泽纸、卡片纸等等），其将被显微成像从而分析打印介质的表面品质。

另外，在图4的所图示的示例中，成像系统400不像在图1的示例性成像系统100中所示的那样包括机械致动器122用以移动光发射器112。相反，如在图4的所图示的示例中所示，成像系统400包括多个光发射器112，所述多个光发射器112相对于准直透镜116不同地定位。通过选择性地激活不同光发射器112中的一个或多个，波导108内的光110的结果产生的经准直的射束的入射角将导致样本104上的定向样本光120的不同角度。以此方式，可以以比如上所述图像传感器106的像素间隔（例如子像素分辨率）更精细的分辨率来生成样本104的图像。

图5是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统500的示意图示。不像图1-4的示例性成像系统100、300、400，图5的示例性成像系统500不依赖于耦合到波导的经准直的光。相反，如在图5的所图示的示例中所示，成像系统500包括光发射器502，所述光发射器502可以是未经准直的点源（例如从点在所有方向上向外发光）。在所图示的示例中，光发射器502可以被定位成以略微升高而偏向样本104和图像传感器106的侧边使得光以相对于衍射光栅504的平面的相对浅的角度而照射在衍射光栅504上。在一些示例中，光发射器502在衍射光栅504上方（例如在与衍射光栅所限定的平面正交的方向上）的升高可以近似为二至五毫米使得示例性成像系统500的总厚度（例如近似4mm到10mm）可以基本上小于其它已知的无透镜的成像系统，在所述其它已知的无透镜的成像系统中光源被安置在距样本的可察觉的距离处，因为光直接在样本上方。以此方式使用光的浅角度与使用不太浅的角度的示例（例如直接在样本上方）相比使得光发射器502能够被定位得与成像系统500的其余部分靠近得多，从而当与本领域中已知的其它无透镜的显微成像系统相比时显著减小系统的总体形状因数（例如厚度或高度）。在一些示例中，成像系统500包括光屏蔽506，用以阻挡来自光发射器502的光直接照射在样本104上。在一些示例中，透镜（例如圆柱形透镜）可以被布置在光发射器502前方从而使光的角分布成形，使得光的较大部分将入射在衍射光栅504上。

在所图示的示例中，当未经准直的光与衍射光栅504相遇时，衍射光栅使光重定向成为定向的并且以期望的角度成角度朝向样本104，从而照射样本104。由于光起初发自小的点状源（例如光发射器502），所以入射在衍射光栅504上的光的角度在衍射光栅上的每个位置处将是不同的。例如，在衍射光栅504的较远离光发射器502的部分处，光的角度更浅，如图5中所展示的。此外，光的方向在衍射光栅504的平面中并不平行行进，而是从与所发射的光的位置对准的中心轴发散，如在图6中所示的示例性成像系统500的顶视图中所图示的。

因此，在如图6中所示的一些示例中，衍射光栅504的单独的脊或槽被结构化为同心的圆弧，其中光发射器502的点源作为中心点。以此方式，光以与衍射光栅504上的任何点处的任何脊或槽的切线基本上垂直的角度与每个脊或槽相遇。也就是说，光以相同的方式（例如相同的相对方向）与脊或槽相互作用，无论衍射光栅504的平面中的光的角度如何。

此外，如在所图示的示例中所示，衍射光栅504的脊或槽中相邻的脊或槽之间的周期或间隔取决于离开光发射器502所限定的脊或槽的中心轴的距离而改变。更具体地，在一些示例中，相邻的槽或脊之间的间隔减小以计及发自光发射器502的光的入射角方面的增大（例如角度的浅度方面的增加）。为了解释的目的，图6中线的间隔已经被夸大以用于相比于图5中所示的脊或槽的间隔的强调。作为所图示的示例的衍射光栅504的结构的结果，发自点源光发射器502的未经准直的光可以被重定向成定向的光120，其以受控的角度（例如基本上垂直于窗口102），所述受控的角度由衍射光栅504的结构和光发射器502的相对安置来限定。没有衍射光栅504，光发射器502将会照射样本104，然而以距样本104相对小的距离。然而，角度跨样本区域将不是一致的（例如定向的）。此外，浅角度将会增大在样本和传感器之间的光传播距离，并且将会使得沿着两个样本维度以对称分辨率的图像重构是困难的。

图7是根据本文中所公开的教导所构造的另一示例性显微成像系统700的顶视图。图7的示例性成像系统700类似于图1和2的示例性成像系统100，因为光沿着波导108往下传播，然后与衍射光栅702相互作用。然而，图7的示例性成像系统700不同于图1和2的成像系统100，因为整个波导108可以被提供有来自单个光发射器112的光。如在所图示的示例中所示，光可以通过圆柱形透镜704以在竖直方向上而不是在水平方向上对光进行准直。也就是说，光可以通过沿着波导108的长度行进的平行射线来表征（类似于图1中所示的），但是射线在波导108的平面中从光发射器112发散。因此，如所图示的示例中所示，衍射光栅702的槽和/或脊被结构化为同心地以光源为中心的圆弧，类似于图5和6的示例性系统500。然而，不像图5和6，图7的所图示的示例的衍射光栅702的槽沿着波导108的长度以恒定的周期间隔开，这是由于光的竖直准直的性质。

图8是根据本文中所公开的教导而构造用于实现图1-7的示例性显微成像系统100、300、400、500、700的示例性图像生成器800的框图。在所图示的示例中，图像生成器800包括光源控制器802、样本流控制器804以及衍射图样分析器806。

在一些示例中，光源控制器802控制用于照射样本104的光源。在一些示例中，光源控制器802控制何时开启光发射器112。在一些示例中，光源控制器802控制光发射器112相对于准直透镜116的移动（例如通过操作机械致动器122）。在一些示例中，在其中存在以相对于准直透镜116的不同角度而定位的多个光发射器112的情况下，光源控制器802控制光发射器112中每一个的定时。

在图8的所图示的示例中，图像生成器800包括样本流控制器804，用以控制通过微流体系统的样本104的流。例如，样本流控制器804可以控制被耦合到微流体通道404的微流体泵。

所图示的示例的图像生成器800可以被提供有衍射图样分析器806，用以分析图像传感器106所捕获的图像数据。特别地，在一些示例中，图像数据包括通过穿过样本104的定向光120与从样本104衍射离开的光的相互作用所产生的衍射图样。在一些示例中，图像数据包括多个衍射图样，所述多个衍射图样对应于被对应于不同入射角的定向光120所照射的样本104。在一些示例中，衍射图样分析器806实现算法来分析（多个）衍射图样，从而生成或重构样本104的图像。

虽然在图8中图示了实现图像生成器800的示例性方式，但是图8中所图示的元件、过程、和/或设备中的一个或多个可以被组合、划分、重布置、省略、消除和/或以任何其它方式实现。此外，示例性的光源控制器802、示例性的样本流控制器804、示例性的衍射图样分析器806和/或更一般地图8的示例性图像生成器可以通过硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的任何组合来实现。因而，例如，示例性光源控制器802、示例性样本流控制器804、示例性衍射图样分析器806和/或更一般地示例性图像生成器800中的任一个可以通过一个或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑器件（PLD）和/或现场可编程逻辑器件（FPLD）来实现。当阅读本专利的涵盖纯软件和/或固件实现方式的任何装置或系统权利要求时，示例性光源控制器802、示例性样本流控制器804和/或示例性衍射图样分析器806中的至少一个由此被明确限定成包括有形的计算机可读存储设备或存储盘，诸如存储器、闪速驱动器、数字通用盘（DVD）、光盘（CD）、蓝光盘等等，其存储软件和/或固件。仍另外地，示例性的图像生成器800可以包括除了图8中所图示的那些之外或代替于图8中所图示的那些的一个或多个元件、过程和/或设备，和/或可以包括多于一个所图示的元件、过程和设备中的任一个或全部。

在图9中示出了流程图，其表示用于实现图8的图像生成器800和/或示例性的成像系统100、300、400、500、700的示例性机器可读指令。在该示例中，机器可读指令包括程序以供处理器执行，所述处理器诸如以下结合图10所讨论的示例性处理器平台1000中所示的处理器1012。程序可以体现在有形计算机可读存储介质、诸如CD-ROM、软盘、硬驱动器、数字通用盘（DVD）、蓝光盘或与处理器1012相关联的存储器上所存储的软件中，但是整个程序和/或其部分可以可替换地由除了处理器1012之外的设备执行和/或体现在固件或专用硬件中。此外，尽管参照图9中所图示的流程图描述了示例性的程序，但是可以可替换地使用实现示例性的图像生成器800和/或示例性的成像系统100、300、400、500、700的许多其它方法。例如，可以改变框的执行次序，和/或可以改变、消除或组合所述框中的一些。

如以上所提及的，图9的示例性过程可以通过使用有形计算机可读存储介质、诸如硬盘驱动器、闪速存储器、只读存储器（ROM）、光盘（CD）、数字通用盘（DVD）、高速缓存、随机存取存储器（RAM）和/或任何其它存储设备或存储盘上所存储的经编码的指令（例如计算机和/或机器可读指令）来被实现，其中信息被存储用于任何持续时间（例如用于延长的时间段、永久地、用于短暂的实例、用于临时缓冲和/或用于信息的高速缓存）。如本文中所使用的，术语有形计算机可读存储介质被明确定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘并且排除传播信号并且排除传输介质。如本文中所使用的，“有形计算机可读存储介质”和“有形机器可读存储介质”可互换地使用。附加地或可替换地，图9的示例性过程可以通过使用非暂时性计算机和/或机器可读介质、诸如硬盘驱动器、闪速存储器、只读存储器、光盘、数字通用盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其它存储设备或存储盘上所存储的经编码的指令（例如计算机和/或机器可读指令）来被实现，其中信息被存储用于任何持续时间（例如用于延长的时间段、永久地、用于短暂的实例、用于临时缓冲和/或用于信息的高速缓存）。如本文中所使用的，术语非暂时性计算机可读介质被明确定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘并且排除传播信号并且排除传输介质。如本文中所使用的，当短语“至少”被用作权利要求的前序中的过渡术语时，它以与术语“包括”是开放式的相同的方式是开放式的。

图9的程序开始于框900，其中示例性的光源控制器802经由衍射光栅（例如衍射光栅114、302、504）生成基本上定向的光，用以照射样本（例如样本104）。在框902处，示例性的衍射图样分析器806检测（例如经由图像传感器106）由所照射的样本产生的衍射图样。在框904处，示例性的衍射图样分析器806基于衍射图样而生成样本的图像。在生成了图像之后，图9的示例性程序结束。

图10是能够执行图9的指令以实现图8的示例性图像生成器和/或更一般地图1-6的示例性显微成像系统的示例性处理器平台的框图。

图10是能够执行图9的指令以实现图8的示例性图像生成器和/或图1-7的示例性成像系统100、300、400、500、700的示例性处理器平台1000的框图。处理器平台1000可以是例如服务器、个人计算机、移动设备（例如蜂窝电话、智能电话、平板设备、诸如iPad^TM）、个人数字助理（PDA）、因特网器具或任何其它类型的计算设备。

所图示的示例的处理器平台1000包括处理器1012。所图示的示例的处理器1012是硬件。例如，处理器1012可以由来自任何期望的族或制造商的一个或多个集成电路、逻辑电路、微处理器或控制器来实现。

所图示的示例的处理器1012包括本地存储器1013（例如高速缓存）。所图示的示例的处理器1012可以经由总线1018与主存储器（包括易失性存储器1014和非易失性存储器1016）通信。易失性存储器1014可以通过同步动态随机存取存储器（SDRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、RAMBUS动态随机存取存储器（RDRAM）和/或任何其它类型的随机存取存储器设备来实现。非易失性存储器1016可以由闪速存储器和/或任何其它期望类型的存储器设备来实现。对主存储器1014、1016的访问可以通过存储器控制器来控制。

所图示的示例的处理器平台1000还包括接口电路1020。接口电路1020可以通过任何类型的接口标准、诸如以太网接口、通用串行总线（USB）和/或PCI快速接口来实现。

在所图示的示例中，一个或多个输入设备1022连接到接口电路1020。（多个）输入设备1022准许用户将数据和命令录入到处理器1012中。（多个）输入设备可以通过例如音频传感器、麦克风、相机（静止或视频）、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、跟踪板、跟踪球、isopoint（等点）和/或语音识别系统来实现。

一个或多个输出设备1024也连接到所图示的示例的接口电路1020。输出设备1024可以例如通过显示设备（例如发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、液晶显示器、阴极射线管显示器（CRT）、触摸屏、触觉输出设备、打印机和/或扬声器）实现。所图示的示例的接口电路1020因而通常包括图形驱动器卡、图形驱动器芯片或图形驱动器处理器。

所图示的示例的接口电路1020还包括通信设备，诸如传送器、接收器、收发器、调制解调器和/或网络接口卡，用以促进经由网络1026（例如以太网连接、数字订户线（DSL）、电话线、同轴线缆、蜂窝式电话系统等等）与外部机器（例如任何种类的计算设备）的数据交换。

所图示的示例的处理器平台1000还包括用于存储软件和/或数据的一个或多个大容量存储设备1028。这样的大容量存储设备1028的示例包括软盘驱动器、硬驱动器盘、光盘驱动器、蓝光盘驱动器、RAID系统和数字通用盘（DVD）驱动器。

图10的经编码的指令1032可以存储在大容量存储设备1028中、易失性存储器1014中、非易失性存储器1016中和/或可移除的有形计算机可读存储介质、诸如CD或DVD上。

尽管在本文中已经公开了某些示例性的方法、装置和制品，但是本专利的涵盖范围不限于此。相反，本专利涵盖清楚地落入本专利的权利要求的范围内的所有方法、装置和制品。

Claims (15)

1.一种装置，包括：

光源：

衍射光栅，用以将来自光源的光重定向成朝向样本，从而使用经准直的定向光照射样本；以及

图像传感器，用以检测从所述样本散射的光和所述样本未散射的经准直的定向光之间的干涉所产生的衍射图样;

其中所述图像传感器用于捕获样本的多个曝光，其中对于多个曝光中的每一个，所述衍射光栅用具有不同入射角的经准直的定向光照射所述样本。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括处理器，用以分析衍射图样，从而生成样本的图像。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述光将提供样本的定向照射。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括平板波导，用以将来自光源的光承送到衍射光栅。

5.根据权利要求4所述的装置，其中衍射光栅与平板波导的背对样本的表面相邻。

6.根据权利要求4所述的装置，其中衍射光栅与平板波导的面向样本的表面相邻。

7.根据权利要求4所述的装置，还包括准直透镜，用以使来自光源的光准直，所述准直透镜将光以某个角度引导到平板波导中。

8.根据权利要求7所述的装置，其中光源的定位相对于准直透镜可调节以改变所述角度。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：

包含样本的微流体通道；以及

泵，用以强制样本通过微流体通道。

10.根据权利要求1所述的装置，还包括外壳，所述外壳包含衍射光栅和图像传感器，所述外壳具有一厘米或更小的总高度。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述图像传感器用以检测从透射通过样本的所述定向光与由样本散射的所述定向光之间的干涉所产生的衍射图样。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述衍射光栅包括圆弧状的槽。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述槽将关于中心轴同心地被布置，所述光源将被定位在所述中心轴上。

14.根据权利要求13所述的装置，其中在槽中相邻的槽之间的间隔由槽中相邻的槽距光源的距离来限定。

15.一种方法，包括：

经由衍射光栅生成经准直的定向光以照射样本，所述经准直的定向光来源于和衍射光栅相邻的光源；

当样本被经准直的定向光照射时，捕获由样本散射的光与样本未散射的经准直的定向光之间的干涉产生的多个衍射图样的曝光，其中对于多个曝光中的每一个，所述样本被具有不同入射角的经准直的定向光照射；

以及

基于多个衍射图样而生成样本的图像。